Цианобактерии трижды переизобрели кислородное дыхание

Один из критериев, по которым современная биология классифицирует живые организмы, — способ получения органических веществ. К основным категориям в этом случае относятся авто- и гетеротрофы: последние получают органические соединения, поглощая первых, поскольку не могут синтезировать их сами из неорганических. В свою очередь, автотрофные организмы способны, например, получить глюкозу из воды и углекислого газа и благодаря этому считаются основой жизни на Земле. При этом для таких реакций автотрофам требуется энергия, которую они получают различными способами.

Предполагается, что первые обитатели планеты были хемоавтотрофами, то есть извлекали энергию из окислительно-восстановительных реакций. В частности, они «встраивались» в естественные процессы, исполняя роль катализатора, после чего запасали выделенную энергию для собственных нужд. Позднее (около 3,8 миллиардов лет назад) возник второй способ добычи энергии — фотосинтез. В рамках фотосинтеза источником энергии служит солнечный свет, поглощая который, оксигенные фотоавтотрофы выделяют, а аноксигенные не выделяют кислород. Вероятно, аноксигенные организмы появились раньше оксигенных, поскольку на тот момент земная атмосфера содержала незначительный объем кислорода.

С развитием оксигенных фотоавтотрофов содержание кислорода в атмосфере начало увеличиваться. На первом этапе выделяемый ими кислород использовался для окисления горных пород и газов, и высоких уровней он достигал только в пределах «кислородных оазисов» — участков, населенных бактериями. Однако с истощением субстрата для окисления атмосфера начала насыщаться кислородом, что привело к кислородной катастрофе примерно 2 миллиардов лет назад. В результате «оазисы» начали формировать уже анаэробные организмы. Указанные события рассматриваются как поворотный этап в эволюции многоклеточной жизни.

Первыми оксигенными фотоавтотрофами, предположительно, были цианобактерии, которые по результатам анализа 16S рРНК представлены тремя классами: Melainabacteria, Oxyphotobacteria и базальный ML635J-21. Однако геном и метаболизм представителей последнего изучены недостаточно. Чтобы восполнить пробел, ученые из Квинслендского университета и Калифорнийского технологического института провели метаанализ геномов 41-й цианобактерии и выделили три варианта, принадлежащие ML635J-21. Подробности работы изложили в журнале Science. Авторы предложили сменить название класса на Sericytochromatia и выявили новых представителей Melainabacteria.

Результаты показали, что Melainabacteria и Sericytochromatia не имеют генов, необходимых для фотосинтеза, что означает отсутствие способности к нему у общего предка всех трех классов цианобактерий. Таким образом, Oxyphotobacteria, обладающие возможностью фотосинтезировать, вероятно, приобрели ее после расхождения с Melainabacteria. Причем все три класса относятся к аэробам, однако используют для дыхания разные наборы белков. По мнению исследователей, полученные данные указывают на то, что предок цианобактерий не использовал для дыхания кислород, а аэробами его потомки стали самостоятельно.

Подробнее об эволюции многоклеточной жизни читайте в нашем материале.